Cómo la simulación impulsa las principales tendencias automotrices: la electrificación

El debate sobre si el automóvil se volverá eléctrico o no ha terminado. Todos los principales fabricantes de equipos originales (OEMS) han anunciado que se volverán totalmente eléctricos dentro de unos años. Y a nivel mundial, todos han fijado objetivos muy agresivos para alcanzar estos objetivos visionarios. Esto se refleja en la apuesta de los proveedores por invertir en electrificación del automóvil, mientras que los motores de combustión suponen una parte muy relevante de sus beneficios.

Como resultado de este movimiento hacia la electrificación , el mercado del automóvil está experimentando una tremenda disrupción. Los tres grandes siguen siendo Ford, General Motors y Stellantis; sin embargo, con el cambio hacia la electrificación, han surgido otros nombres. Lucid Motors, Rivian y Tesla son sólo algunas de las empresas emergentes que, a través de su creciente influencia en la industria, están desafiando y cambiando la forma en que pensamos sobre la tecnología de los vehículos eléctricos (EV).

Innovación en electrificación automotriz

Todos los fabricantes de equipos originales se enfrentan a grandes desafíos con su ciclo de diseño, ya que el ciclo de un vehículo eléctrico es mucho más corto que antes. Hoy en día, muchas nuevas empresas de vehículos eléctricos lanzan vehículos en 18 meses, o 12 meses para un ciclo de lanzamiento de año nuevo. Para los OEM que todavía operan en un ciclo más tradicional, todo debe acelerarse. Para ponerse al día, enfrentan nuevos desafíos de diseño, reequipamiento, personal y producción a medida que cambian de marcha del motor de combustión interna (ICE) a la fabricación de vehículos eléctricos.

De todos los factores que influyen en la electrificación, el más importante es el coste. ¿Cómo se puede reducir el coste de producir un vehículo y acelerar el ciclo de desarrollo sin dejar de estar por delante de la competencia?. Al mismo tiempo, ¿cómo se puede hacer que el producto sea más fiable? Esto nos lleva a las soluciones de software de simulación Ansys.

Es seguro decir que prácticamente todos en el sector automotriz creen que la ingeniería y la innovación digitales son el camino a seguir. Desde las especificaciones hasta la validación de sistemas, Ansys ayuda a innovadores en movilidad como BMW , Porsche Motorsport y Volkswagen a desarrollar sus estrategias de electrificación.

“La ingeniería digital a través de la simulación ayuda a las empresas a innovar más rápido, mejor y más barato, desde el diseño inicial hasta el desarrollo de productos basado en simulación”, dice el Dr. Zed Tang, arquitecto de soluciones para electrificación de Ansys. “Y casi todo el mundo está centrado en utilizar más simulación para ayudar a impulsar los diseños de vehículos eléctricos del futuro”.

Impactos de la eficiencia de la electrificación automotriz

Dentro de este nuevo entorno, los OEM y los proveedores automotrices de primer nivel enfrentan nuevos desafíos al ampliar los límites del diseño de ingeniería y los límites de sus ingenieros. Pensando nuevamente en un motor de gasolina tradicional, no son tan eficientes: tal vez un 40% de eficiencia térmica. Con un ICE, mejorar su eficiencia en una décima por ciento es importante para ampliar la autonomía del vehículo. Pero al final del día, también podría aumentar la capacidad del tanque de combustible en un galón más para lograr un resultado similar.

Este no es el caso de los vehículos eléctricos, debido a la densidad de energía del paquete de baterías, que tiene un peso o volumen por unidad mucho menor que el del combustible. En comparación con los combustibles de petróleo líquidos, las baterías de los vehículos eléctricos almacenan menos energía y requieren módulos adicionales para competir con las autonomías de conducción ICE. En este escenario, las empresas también tienen que traspasar los límites del diseño de vehículos eléctricos para alcanzar la máxima eficiencia, porque cada partícula de energía desperdiciada puede generar una gran desventaja en el mercado actual.

Entonces, volviendo a nuestro ejemplo anterior de ICE, un ingeniero no puede simplemente decir: “Oye, puedo aumentar el alcance haciendo mi tanque de combustible un poco más grande y resolveré el problema”. Si agrega uno o más módulos de batería en su vehículo, agregará significativamente más peso. Para su vehículo eléctrico, debe ajustar el tamaño de su motor y sus componentes electrónicos porque necesitará más refrigeración; por lo que es más que solo una batería. De repente, tu vehículo pesa más y la batería se consume más rápidamente por el peso de todos los elementos añadidos.

Por esta razón, los ingenieros están haciendo todo lo posible para ampliar los límites de su diseño. Si la eficiencia máxima es del 98%, todo el mundo está intentando encontrar una manera de desarrollar algo que sea del 98,1%. 

“Entonces, ¿qué significa para los ingenieros que trabajan en este campo?” pregunta Tang. “Ya no se pueden crear suficientes prototipos o pruebas para determinar cuál es esa décima por ciento adicional. Tienes que profundizar y ¿cómo lo haces? Se utiliza la simulación, porque con la simulación se puede descubrir todo esto. Con algunos ajustes aquí y allá con automatización y optimización adicionales, puede ver los resultados de manera virtual y visual de una manera que puede ayudarlo a comprender mucho mejor cómo extraer ese 0,1% adicional.

El avance hacia la electrificación del automóvil abarca mucho más que un cambio de la combustión interna a la energía de baterías. Se deben considerar la infraestructura, el mantenimiento y una serie de otras variables.

Empoderar a los ingenieros automotrices mediante la simulación

Acabamos de analizar cómo lograr eficiencia desde el punto de vista de la ingeniería y cómo, gracias a la simulación, los ingenieros pueden ampliar los límites del diseño para enfrentar estos desafíos. También se está superando un límite desde el lado organizacional para ayudar a los ingenieros a ser más eficientes. Actualmente, la industria automotriz se enfrenta a un gran desafío por parte de otras industrias y otros lugares que buscan experiencia. Hay escasez de mano de obra en todas partes, pero aún más en el ámbito de la electrificación. Ahora es más que solo Detroit: es la costa oeste, Texas, Colorado, Washington, donde hay todo tipo de nuevas empresas que buscan expertos en electrificación.

Si los fabricantes de automóviles no pueden contratar suficientes ingenieros, deben pensar en formas de capacitar a sus ingenieros para que sean más eficientes y eficaces. La forma en que lo hacen es integrando la automatización en sus flujos de trabajo y procesos. También pueden aumentar el nivel de colaboración entre diferentes ingenieros y diferentes equipos de diferentes disciplinas, que es lo que Ansys lleva años haciendo en el área de la electrificación. Ansys ha ampliado sus capacidades multifísicas más allá de la estructura automotriz para enfrentar desafíos relacionados con electromagnetismo, controles, seguridad funcional, confiabilidad, inteligencia de materiales y más. 

“Ansys proporciona no solo capacidades de simulación multifísica, sino también flujos de trabajo optimizados, automatización y optimización del diseño, computación de alto rendimiento (HPC) y soluciones habilitadas en la nube para ayudar a los equipos de ingeniería”, dice Tang. “La curva de aprendizaje es corta. No necesita pasar días o semanas aprendiendo a presionar un botón. Es lo que Ansys ha estado haciendo en el lado del desarrollo y en el lado de la aplicación para ayudar a sus clientes automotrices a superar su transición a la electrificación”.

Electrificación Automotriz con Ansys

Hacer frente a los extraordinarios desafíos de diseño que plantea la electrificación exige soluciones extraordinarias. Los líderes en movilidad eléctrica se están beneficiando de las soluciones de simulación de Ansys en simulación de sistemas de tren motriz electrificados, sistemas de gestión de baterías, interferencia/compatibilidad electromagnética (EMI/EMC) y motores eléctricos para acelerar e innovar el proceso de diseño, que incluye, entre otros:

• Ansys Mechanical: Un software de análisis estructural de elementos finitos (FEA) para abordar el rendimiento y las complejidades del sistema, desde ruido, vibración y aspereza (NVH) hasta estructuras de baterías, conjuntos electrónicos de potencia y tensiones termomecánicas.
• Ansys Fluent: Una solución de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) que permite un diseño robusto y un rendimiento mejorado de los sistemas de propulsión eléctricos, desde baterías hasta refrigeración de motores eléctricos y aerodinámica externa.
• Ansys Maxwell: Un solucionador de simulación de campos electromagnéticos de baja frecuencia para máquinas eléctricas que captura el movimiento transitorio no lineal de componentes mecánicos y sus efectos en el diseño del circuito de accionamiento y del sistema de control.
• Ansys Motor-CAD: Una herramienta de diseño, análisis y verificación de motores eléctricos que puede ofrecer un flujo de trabajo completo desde el concepto hasta los análisis electromagnéticos, térmicos y mecánicos detallados del motor.
• Ansys SCADE Suite: Un entorno de desarrollo basado en modelos para el diseño y la verificación de software integrado fundamental para la integración del tren motriz electrificado, el sistema de gestión de baterías y las aplicaciones del sistema eléctrico de vehículos.
• Ansys Twin Builder:Una solución abierta que permite a los ingenieros construir réplicas virtuales digitales de sistemas electrificados y monitorear el comportamiento de sus componentes relacionados durante todo el ciclo de vida del producto.